西石門鐵礦開采主要危險因素辨識及防治措施

竇梅林

(五礦邯邢礦業有限公司西石門鐵礦,河北武安056303)

西石門鐵礦屬于大型黑色地下礦山,礦區地貌為低山丘陵形,礦石屬自溶-半自溶、中品位的磁鐵礦,以Fe1礦體為主。Fe1礦體呈不對稱背斜,走向NE、兩翼分別向 SE、NW傾斜,礦體走向延長 5020m,平均寬度 360m,平均厚度15.13m,最大厚度103. 42m,傾角0～40°,礦體埋深10～490m,賦存標高278～-186m,現年生產規模為200×104t。

西石門鐵礦屬于邯邢鐵礦田北單元,礦區四周基本上被火成巖包圍,中間為中奧陶石灰巖,地下水的來源以大氣降雨補給為主,區域側向補給為輔的地質特征。

礦區主要含水層為中奧陶馬家溝灰巖,直接覆蓋于礦層頂板,分布于花崗巖包體中,大體西高東低,西淺東深,南北高中間低,總厚度100～250m。因各組的巖性差異,兼受構造作用力和埋藏條件的不同,其賦水性也不同。

西石門鐵礦為緩傾斜中厚低價礦體,分為南、中、北三個區進行開采,現主要采用無底柱分段崩落法和有底柱分段崩落法進行采礦。

1 事故統計分析

根據對西石門鐵礦1997～2009年井下發生的安全生產事故類型統計分析,發生事故的類型主要為地壓危害 (冒頂片幫)、車輛危害和水害等,這三類事故占總事故的81.3%。

事故統計數據表明,冒頂片幫事故主要發生在采場進路的頂板和拱腳處,這符合無底柱分段崩落采礦法引起地壓危害發生的規律[1]。主要由于采掘作業面爆破后,由于圍巖應力的重新分布或是破壞了巖體整體結構等方面的原因,作業人員沒有及時處理,造成了頂板冒落或拱腳片幫事故。

2 主要危害因素分析

2.1 地壓危害分析

地壓危害問題是西石門鐵礦需要解決的重要難題,是影響井下安全生產的主要危害因素之一。多年來,西石門鐵礦本著“安全第一、預防為主,綜合治理”的安全生產方針,多次與科研院校進行合作[2-4],不斷探索采礦方法的試驗研究,優化采場結構參數,同時加強地壓的安全管理,摸索地壓發生的規律,從而采取相應的治理措施,取得了有效的成果。

2.1.1 巷道圍巖變形和破壞原因分析

西石門鐵礦頂板為結晶灰巖與大理巖,節理較發育,但穩固性較好;礦體為致密塊狀磁鐵礦,整體性好,穩固;底板為矽卡巖、蝕變閃長巖與閃長巖,矽卡巖與蝕變閃長巖不穩固。部分矽卡巖軟弱、松散、破碎,還有部分本來是堅硬完整的矽卡巖體,在工程揭露后,極易受風化侵蝕而產生軟化或崩解潮解。其性質對比如表1所示[5]。

表1 兩類矽卡巖性質對比

運輸平巷、穿脈以及各采場的采準切割巷道均遇到矽卡巖,且頂板或兩邦都發生過不同程度的冒落,給生產和安全帶來極大影響。矽卡巖冒落的基本原因,主要可分為四種情況:

1)隨著掘進,沒有及時支護則很快冒落。主要發生在金云母綠泥石矽卡巖中。

2)掘進時,由于部分矽卡巖節理、層理、裂隙十分發育,結構面光滑呈鏡面狀,當結構面不利組合遇到臨空面時,很快就以錐形或楔形的塊狀成片冒落,一般塊度都比較大。

3)剛掘進時圍巖穩定性較好,但隨著風化、潮解,3～4個月后開始大面積冒落。主要發生在碳酸鹽化矽卡巖,透輝石矽卡巖或綠泥石矽卡巖中。

4)剛掘進時圍巖穩定性較好,但在3～4年后,主要由于矽卡巖吸水膨脹,使噴層開裂,并開始局部片邦冒頂。主要發生在透輝石矽卡巖或綠泥石矽卡巖中。

5)上部分段回采完全與否,對相鄰下分段進路穩定性也有很大影響。上分段未崩落的實體礦石,在下分段進路周圍巖體中構成一很大的偏心集中應力,并在進路頂板中產生水平拉應力 (圖1)。

6)同一分段進路回采方式,對進路周圍巖體中應力分布影響亦很大。應用有限元[5]對不同進路方式開采進行研究表明,以各進路平行回采方式,進路周邊應力最低。但采用此種回采方式回采到靠近聯絡巷道部位時,將發生相互影響,引起應力集中,若不采取一定技術措施,也容易出現進路頂板冒落等地壓現象。

2.1.2 采空區頂板冒落原因分析

采空區頂板巖石中無構造破壞,巖體冒落主要取決于巖性與結構面,故可排除因存在斷裂構造而產生大規模經常呈突發性大冒落的可能性。

根據空區頂板巖性、空區狀態及采礦實踐,分析南區空區頂板冒落過程 (見圖2),主要包括四個階段:

圖1 回采進路周邊σx分布圖

圖2 空區頂板冒落過程示意圖

1)初始冒落階段。采空區內礦巖采出后或有部分礦柱、頂板處于臨空狀態,在拉應力的作用下,平衡拱被打破,巖體內節理擴展、貫通,導致灰巖破壞并在自重作用下自然崩落下來。

2)間斷冒落階段?？諈^頂板暴露面積不斷擴大,巖體內裂隙向上發展,不時發生冒落,頂板在趨于平衡但達不到平衡的情況下向上發展,冒落范圍呈間斷性地擴大。

3)地表冒落階段。當空區頂板冒落接近地表時,頂板巖石常常產生整體變形和破壞,周邊受剪應力破壞常以突發形式呈大規模冒落,此時可能引發具有危害性地氣浪。

4)擴展下移階段。空區地表崩落后,周邊巖石逐漸向空區崩落、巖移充填到空區,空區崩落邊界逐漸向外擴展。

2.2 車輛危害分析

西石門鐵礦隨著開采深度的增加,井下運輸工作量越來越大,礦井運輸事故的發生率也越來越高。事故統計分析表明,運輸提升系統的事故死亡百分比,僅次于冒頂事故。運提系統的事故所占比重,近年來一直呈上升趨勢,有必要對車輛傷害進行分析。西石門鐵礦井下運輸采用電機車、鏟車等機械設備,礦石的鏟裝、運輸過程中,及有可能造成車輛傷害。其原因主要有:

1)電機車行駛中,車身或所裝礦石撞擊、擠壓巷道中行人。運輸平硐內應留有的人行道寬度不符合規程要求,有軌運輸時不小于1m(無軌運輸時,不小于1.2m)。

2)電機車或鏟車通過風門、巷道口、彎道、道岔和坡度較大的區段,以及前方有車輛或視線有障礙時,沒有減低速度和發出警號,致使和行人相撞。

2.3 水害分析

西石門鐵礦經過多年的疏干排水,地下水位已降至0m水平以下,但由于多種復雜因素,采掘面仍存在較大的水害威脅。

1)民采空區水害。西石門鐵礦礦區由于采礦歷史較長,礦區長期遭受周圍民采礦井的非法盜采。民采掠奪式的無規劃、無設計的私采濫挖,遺留下了大量不明采空區。這些采空區形成之后,在有水源補給的情況下,長年累月逐漸匯集,使采空區大量積水,對礦山的安全生產形成了嚴重威脅。同時,由于這些民采采空區開采很不規范,越層越界現象嚴重,分布無規律,地表無痕跡,積水范圍、積水量無據可查,給礦山防治水工作帶來了極大的困難。2009年3月28日,西石門鐵礦北區-40m水平在開拓過程中,不慎和民采空區掘透,造成死亡8人的透水事故。

2)西石門鐵礦主要含水層是中奧陶統O22-2,厚度約200m,灰色中厚含燧石花斑狀灰巖,夾中層細?；ò甙自瀑|灰巖,花斑為泥質、白云質,裂隙、巖溶發育。

3)西石門礦床地表水系有馬河,流量隨季節而變化,在雨季接受大氣降水的集中補給,河水儲水量增大,一旦防水礦柱受到破壞,大量地表水可能會流入井下造成淹井。

4)由于礦山采用崩落采礦法開采,隨著采礦向深部延伸,塌陷面積日益擴大,采區上方造成大量人為裂隙,地層的滲透性能大大高,大氣降水或第四系水可以直接通過陷落柱下灌造成水害。

3 防治對策

3.1 改進開采管理技術,預防地壓災害

首先是掌握巷道地壓規律,加強頂板管理。做好地壓監測、監控工作,建立和完善行之有效的地壓監控系統。基于巷道地壓活動規律,應根據地質和回采資料,加強現場技術指導和信息傳遞堅持日常監測,采用有效支護方式,預防巷道變形冒落。

加強安全檢查。對正?；夭缮婕暗母鳁l進路,要堅持每班巡檢;對地質條件較差的地段,如節理裂隙發育,大破碎帶或大斷層地段、民采空區集中區等進行專門研究和設計,并制定相應的安全管理措施;對難以鑒別是否冒落而一時難以撬下的懸石,采取交接班制度、臨時支護措施或用小支藥爆破崩落對范圍較大明顯的巷道變形和片幫,應及時撤離設備人員以防塌方,加強井下安全標志牌的建立,對重點防范地段設立警示牌,防止人員誤入。

改變采礦方案和開采順序。根據地壓大和矽卡巖圍巖承載能力弱的礦山特點,盡量采用無底柱崩落法開采,能起到“誘導落項、設置回收進路”的采場結構作用,先掘進和回采第一層進路,將頂板壓力用采空區隔斷,再掘進巷道進行采礦。同時,采取合理的采礦順序,滿足礦體賦存條件和多中段同時作業的要求。隨著礦山生產向深部開采,空區越來越大,使仍然采用有底柱崩落法的采場大多處于空區邊緣的地應力集中區,壓力也越來越大,更增加了該方法的難度,深部礦體回采應采用無底柱“崩落卸壓”開采方法。

3.2 加強井下探放水工作,預防水害。

礦區內一方面由于民采小礦點眾多,開采無規律,其開采規模、開采位置、采空區形態及現狀均不清楚,采空區老窿水對礦山生產是一個大的隱患;另一方面,西石門鐵礦屬于中奧陶馬家溝灰巖,深部開采容易引發巖溶水突水危害,因而礦山水害應引起足夠的重視,采取相應的措施,保證礦區安全生產和人民群眾生命財產的安全。礦區應充分利用現代水害探測技術,將物探和鉆探技術相結合,首先利用地表物探技術探明老空區水害存在的大致范圍,在利用地下鉆探技術有的放矢進行探放水工作。盡可能地查清其分布情況、現狀、充水狀態,編制專門應對方案,采取嚴格的防范措施,防止突水。

根據地表和井下不同情況分別進行。地表應加強水文氣象調查,了解地表水情況,進一步加強對馬河河床的人工改造,防止馬河洪水下灌。了解地表陷落移動區面積,掌握地表水變化規律,井下應結合采掘生產實際情況,地表做好泄洪溝渠,在雨季及時攔水、疏水、排水。

4 結語

近年的生產實踐表明,西石門鐵礦通過不斷改進開采方案、優化采場結構參數、加強井下水害的探防水工作等技術手段,同時通過加大地壓工作的安全管理,做好地壓的監測和監控工作,成立防治水機構,建立健全礦井水害防治技術工作責任制,堅持“有疑必探,先探后掘”的原則,有效地減小了地壓等災害的發生,大大降低了井下采掘事故,取得了令人欣慰的安全效果,為井下生產提供一個安全的作業環境。

[1] 采礦手冊 [M].第4卷.北京:冶金工業出版社,1990.

[2] 李清望,任鳳玉,侯建光,等.西石門鐵礦南區采空區的冒落規律分析 [J].中國礦業,2001,10(3):42-44.

[3] 任鳳玉,陶干強,王家寶.西石門鐵礦自落頂設回收進路的無底柱分段崩落法試驗研究 [J].采礦技術,2001(6):38-41.

[4] 任鳳玉,陶干強,李清望,等.西石門鐵礦南區崩落卸載采礦法試驗研究 [J].中國礦業,2003,12(1):39-41.

[5] 劉航.西石門鐵礦采礦工藝安全性分析研究 [J].西部探礦工程,2006,121(05).